硬件需求

器件 型号 数量
主控 STM32F103C8T6 最小系统板 1
LED 5mm 发光二极管 1
电阻 220Ω（限流） 1
下载器 ST-Link V2 1

硬件连接

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STM32F103C8T6              LED
    PA0  ──── PWM ────  (220Ω) ────  LED(+) ──── GND

TIM2_CH1 复用 PA0 输出 PWM，占空比 0%→100%→0% 循环实现呼吸效果。

PWM 原理

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PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制：
固定频率下，调节高电平占比（占空比）来控制平均输出电压。

周期 T = 1/f，占空比 = t_on / T × 100%

高电平 ┌────┐    ┌────┐  25%  → LED 微亮
低电平 └────┴────┴────┘

高电平 ┌──────┐  ┌──────┐  50%  → LED 半亮
低电平 └──────┴──┴──────┘

高电平 ┌────────┐┌────────┐ 90% → LED 接近全亮
低电平 └────────┴┴────────┘

人眼对亮度感知有惯性，PWM 频率 >100Hz 即无频闪感。

CubeMX 配置

外设 配置 说明
TIM2 CH1: PWM Generation, PA0 呼吸灯 PWM 输出
PSC 71 72MHz / 72 = 1MHz
ARR 999 1MHz / 1000 = 1KHz PWM
Pulse 0 初始占空比 0%

Clock: HSE 8MHz → PLL ×9 = 72MHz。

实现代码

基础版（主循环轮询）

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/* main.c */
#include "stm32f1xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim2;

static void MX_TIM2_Init(void) {
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();

    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 71;           // 72MHz / (71+1) = 1MHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 999;             // 1MHz / (999+1) = 1KHz PWM
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;                 // 初始占空比 0
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
}

/* HAL TIM PWM 底层初始化 */
void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_Init = {0};
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    GPIO_Init.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_Init.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_Init.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_Init);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();         // 72MHz
    MX_TIM2_Init();

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

    int16_t duty = 0;
    int8_t dir = 1;               // 1=增亮, -1=变暗

    while (1) {
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, duty);
        duty += dir;

        if (duty >= 999)  dir = -1;   // 最亮 → 变暗
        if (duty <= 0)    dir =  1;   // 最暗 → 变亮

        HAL_Delay(2);                 // 2ms × 1000 步 ≈ 2s 一个周期
    }
}

进阶版（定时中断 + 正弦呼吸）

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#include <math.h>

static void MX_TIM3_Init(void) {
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();

    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 7199;       // 72MHz / 7200 = 10KHz
    htim3.Init.Period = 199;           // 10KHz / 200 = 50Hz 更新中断
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim3);

    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig);

    HAL_NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
}

/*
 * 正弦波呼吸灯 → 亮度变化更自然
 * 人眼对亮度感知是对数关系，正弦曲线让呼吸更柔和
 */
void TIM3_IRQHandler(void) {
    static float phase = 0;
    const float step = 2.0f * 3.14159265f / 400.0f;  // 400 步一个周期 → 8s

    phase += step;
    if (phase > 2.0f * 3.14159265f) phase = 0;

    // sin 范围 [-1,1] → [0,1] → [0,999]
    float brightness = (sinf(phase) + 1.0f) / 2.0f;
    uint16_t duty = (uint16_t)(brightness * 999);

    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, duty);
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim3);
}

正弦呼吸节奏更自然，不线性突兀。

占空比与亮度关系

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占空比   0%    25%    50%    75%    100%
LED     ░░░    ▒▒▒    ▓▓▓    ███    ███
        灭     微亮   半亮   很亮   全亮

实际亮度 (人眼):
  0% ───────────────────────────────── 100%
         ╱
        ╱   人眼感知近似对数曲线
       ╱    → 低占空比时亮度变化更敏感
      ╱
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  0%────────────────────100% 占空比

→ 正弦波呼吸比线性渐变更自然

调参指南

参数 推荐值 效果
ARR=999 1KHz 无频闪，标准配置
ARR=19999 50Hz 可见闪烁，不建议
HAL_Delay(1) 1ms/步 呼吸周期 ~1s，稍快
HAL_Delay(3) 3ms/步 呼吸周期 ~3s，适中
HAL_Delay(5) 5ms/步 呼吸周期 ~5s，缓慢
ARR=255 8 位精度 配合 uint8_t duty
正弦 step 分母 200 快呼吸 ~4s
正弦 step 分母 400 慢呼吸 ~8s

多路 PWM 扩展

TIM2 有 4 个通道，可同时驱动 4 路：

通道 引脚 寄存器
CH1 PA0 TIM_CHANNEL_1
CH2 PA1 TIM_CHANNEL_2
CH3 PA2 TIM_CHANNEL_3
CH4 PA3 TIM_CHANNEL_4 
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/* 同时启动 4 路，独立呼吸相位 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_3);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_4);

// 不同初始相位实现流水呼吸效果
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, sinf(phase + 0) * 500 + 500);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2, sinf(phase + 1.57f) * 500 + 500);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_3, sinf(phase + 3.14f) * 500 + 500);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_4, sinf(phase + 4.71f) * 500 + 500);

扩展方向

方向 方案
RGB 呼吸灯 3 路 PWM → R/G/B 三色 LED，不同相位产生彩虹渐变
按键调速 GPIO 中断切换呼吸速度，双击/长按不同模式
串口调光 USART 接收指令设置目标亮度，PWM 缓动过渡
音乐律动 ADC 采集麦克风 → PWM 亮度随音量变化
WS2812 灯带 TIM2 DMA + PWM 模拟 WS2812 时序，驱动 60 灯珠